KR20160087709A - 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템 - Google Patents

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이관희
이석
전민홍
이인규
박정훈
조원주
장현준
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한국과학기술연구원
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Abstract

이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 감지 시스템은 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서, 그리고 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 포함하며, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 통해 제1 바이오 신호를 감지하고, 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 통해 제2 바이오 신호를 감지하고, 그리고 제1 바이오 신호와 제2 바이오 신호는 서로 다른 종류이다.

Description

이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템{MULTIPLEXING DETECTION SYSTEM OF DUAL GATE ION-SENSITIVE FIELD-EFFECT TRANSISTOR SENSOR}
이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템이 제공된다.
미래 POC(point of care) 시스템은 현장에서 즉각적으로 질병의 진단이 가능한 진단 시스템을 제공함으로써, 각종 암의 조기 진단, 질병의 예후 관찰, 그리고 전염성 질병의 창궐을 미연에 방지될 수 있다. POC 시스템은 저비용, 신속성, 고감도, 그리고 다양한 바이오마커(biomarker)에 대한 다중 신호감지 능력이 필요하다. 다양한 진단 플랫폼 중, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 바이오마커로부터 전기적인 신호를 얻어낼 수 있는 변환기이다. 따라서, 현재 큰 분석 장비 및 실험실 분석을 필요로 하는 광학 기반의 진단 시스템이 전기 신호를 이용하는 소형화 시스템으로 바뀔 수 있기 때문에, 트랜지스터를 이용한 바이오센서는 차세대 POC 진단 시스템의 플랫폼으로 각광받고 있다(H.J. Jand et al, Electrical Signaling of Enzyme-Linked Immunosorbent Assays with an Ion-Sensitive Field-Effect Transistor, Biosens. Bioelectron., 64, pp318-323, 2015).
트랜지스터를 이용한 바이오센서는 질병을 신속하게 진단할 수 있고, 초고감도를 가질 수 있다. 또한, 복수개의 단위센서를 집적할 수 있기 때문에 바이오마커에 대한 다중 감지가 가능한 플랫폼으로 활용할 수 있다(Zheng, G.F. et al,. Multiplexed electrical detection of cancer markers with nanowire sensor arrays. Nat. Biotechno. 23, pp1294-1301, 2005).
바이오마커란 단백질을 비롯한 각종 대사물질, 핵산 유래의 DNA, RNA 등을 포함하는 단일 분자 또는 분자들을 의미하며, 특정 질병의 발병시 질병에 대한 고유한 바이오마커가 발현되어 질병의 직접적인 지표 역할을 하고 있다. 바이오마커는 질병 특이적일 뿐만 아니라, 질병의 진전 정도에 따라 발현량 또는 종류가 달라진다. 이에 따라 특정 질병을 진단하는 경우 단일 바이오마커를 통해 질병을 진단하는 것은 오진 위험성이 높다는 점에서 다수의 바이오마커를 기반으로 하는 진단 시스템이 필요하다.
종래에는 탄소나노튜브, 나노와이어, 그래핀 등의 나노재료 기반 기술을 활용하여 바이오마커를 아토몰 수준(attomolar level)까지 정량화하여 다중 감지가 가능한 고감도 트랜지스터 바이오센서를 구현하였다. 나노 물질의 일차원 구조 또는 이차원 구조는 생체 물질에 넓은 표면적으로 제공한다는 점에서 생체 신호(bio signal)의 수집이 용이하다. 그러나 상용화 측면에서 공정이 복잡하고 수율 개선이 필요하다.
평면 구조의 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ion-sensitive field effect transistor, 이하 'ISFET'라고 함)는 손에 쥘 수 있는 pH센서로 이미 상용화된 플랫폼이다.
종래에는 ISFET의 게이트 산화막에 바이오 물질을 기능화하여 효소센서, 항원항체센서, DNA센서 등을 구현하기 위한 시도가 있었다. 또한, ISFET 센서를 바이오센서로 확장하기 위해 상용화에 용이한 확장된 게이트 전계 효과 트랜지스터(Extended-Gate Field-Effect Transistor)를 제안하여 상용 전계 효과 트랜지스터와 감지부를 분리시키는 기술을 보고한 바 있다(C. Li-Lun et al., Study on extended gate field effect transistor with tin oxide sensing membrane, Materials Chemistry and Physics 63, pp19-23, 2000). 제안된 SnO2 감지부는 상용 트랜지스터와 철저하게 분리되어, 바이오센서 적용 시, 칼륨과 나트륨과 같은 화학 요소에 의한 소자의 열화현상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 저렴한 감지부만 교체하여 사용함으로써 ISFET 기반 바이오센서의 상용화 가능성을 크게 증대시킬 수 있다. 그러나, 제안된 소자 또한 네른스트(nernst) 반응에 의해 상온에서 최대 약 59mV/pH로 제안되어 있다는 점에서 디바이랭스의 낮은 감도 때문에 항원항체센서로 구현이 어려울 수 있다.
2010년 Mark-Jan Spijkman은 기존 ISFET에 하부 전극을 추가하여 pH 감도가 향상된 이중 게이트 구조의 ISFET를 개발하였다(Mark-Jan Spijkman et al., Dual-Gate Organic Field-Effect Transistors as Potentiometric Sensors in Aqueous Solution, Adv. Funct. Mater., 20, pp898-905, 2010). 이는 상하부 전극에서 발생하는 정전 결합(capacitive coupling)을 이용하여 네른스트(nernst) 반응에 의한 한계를 극복할 수 있는 센서 플랫폼으로 제시되었으나, 정전 결합으로 인한 누설전류가 발생하고 감지부와 박막 트랜지스터가 격리되지 않는 구조로 다양한 이온에 의한 트랜지스터의 손상이 발생할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예는 네른스트(nernst) 반응 한계를 뛰어넘는 감도를 가지면서도, 저비용, 신속, 간단, 정밀 진단이 가능한 다중 감지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 하나의 실시예는 복수개의 바이오마커에 대한 신호를 아토몰 수준까지 동시에 감지할 수 있는 다중 감지 시스템을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 실시예가 사용될 수 있다.
상기 과제를 해결하기 위해 본 발명의 하나의 실시예는, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서, 그리고 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 포함하며, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 통해 제1 바이오 신호를 감지하고, 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 통해 제2 바이오 신호를 감지하고, 그리고 제1 바이오 신호와 제2 바이오 신호는 서로 다른 종류인 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템을 제안한다.
여기서, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터를 포함하며, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터는, 하부 게이트 전극, 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막, 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인, 하부 절연막 위에 위치하고 소스 및 드레인 사이에 위치하는 채널층, 소스, 드레인, 채널층 위에 위치하는 상부 절연막, 그리고 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극을 포함할 수 있다.
또한, 상부 절연막의 등가 산화막 두께는 하부 절연막의 등가 산화막 두께보다 작을 수 있다.
또한, 채널층은 10nm 이하의 두께일 수 있다.
또한, 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터와 연결되어 있는 교체형 감지기를 포함하고, 교체형 감지기는 상부 게이트 전극에 연결되어 있는 금속 전극, 그리고 금속 전극 위에 위치하며 이온을 감지하는 감지막을 포함할 수 있다.
또한, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 소스와 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 소스는 공통으로 접지되어 있으며, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 상부 게이트 전극과 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 상부 게이트 전극은 공통으로 접지될 수 있다.
또한, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 하부 게이트 전극과 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 하부 게이트 전극에 공통전압이 인가될 수 있다.
또한, 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 드레인은 제1 바이오 신호를 출력하고, 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 드레인은 제2 바이오 신호를 출력할 수 있다.
또한, 제1 드레인과 제2 드레인은 병렬 구조로 연결될 수 있다.
또한, 교체형 감지기는 항체, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나가 기능화되어 있는 리셉터(receptor)를 포함하고, 교체형 감지기와 리셉터는 전기적으로 접속될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예는 복수개의 바이오마커에 대한 신호를 아토몰 수준까지 동시에 감지할 수 있으며, 네른스트(nernst) 반응 한계를 뛰어넘는 감도를 가지면서도, 저비용, 신속, 간단, 정밀 진단이 가능한 다중 감지 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 단면도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)와 감지기의 연결을 간단하게 나타내는 모식도이다.
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 2 개의 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템을 간단하게 나타내는 모식도이다.
도 4는 도 3의 pH 감지 특성을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3 개의 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템을 간단하게 나타내는 모식도이다.
도 6은 도 5를 이용하여 3 개의 췌장암 바이오마커를 감지한 결과를 나타내는 그래프이다.
첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대해 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호가 사용되었다. 또한, 널리 알려져 있는 공지기술의 경우 그 구체적인 설명은 생략한다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 반대로 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "아래에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 한편, 어떤 부분이 다른 부분 "바로 아래에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, '바이오신호'는 질병 및 감염 바이오마커로부터 획득한 전기적 신호 변화를 의미한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 단면도이며, 도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)와 감지기의 연결을 간단하게 나타내는 모식도이다.
도 1의 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서(100)는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(이하, '이중 게이트 ISFET'라고 함)(120)와 교체형 감지기(130)를 포함한다. 이때, 이중 게이트 ISFET(120)과 교체형 감지기(130)는 도 2에서 보듯이 전기적으로 접속되어 있다.
이중 게이트 ISFET(120)는 하부 게이트 전극(101), 하부 게이트 전극(101) 위에 위치하는 하부 절연막(102), 하부 절연막(102) 위에 위치하고 소스(104) 및 드레인(103) 사이에 위치하는 채널층(105), 소스(104), 드레인(103), 그리고 채널층(105) 위에 위치하는 상부 절연막(106), 그리고 상부 절연막(106) 위에 위치하는 상부 게이트 전극(107)을 포함할 수 있다.
교체형 감지기(130)는 상부 게이트 전극(107)에 연결되어 있는 금속 전극(108), 금속 전극(108) 위에 위치하고 이온을 감지하는 감지막(109), 감지막(109) 위에 위치하는 챔버(110)를 포함한다.
이하, 본 발명의 하나의 실시예에 따른 이중 게이트 ISFET(120)와 교체형 감지기(130)의 각 구성요소 중 일반적으로 널리 알려진 부분에 대한 설명은 생략하도록 한다.
교체형 감지기(130)에서 발생하는 작은 표면 전위전압 차이는, 약 10nm 이하의 두께를 갖는 초박막 채널층을 포함하는 이중 게이트 ISFET(120)에서 발생하는 초정전결합으로 인해, 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압변화를 크게 증폭시킨다.
이중 게이트 ISFET(120)의 정전결합으로 바이오 신호가 증폭되면서 바이오마커에 대한 신호를 아토몰 수준까지 정량화할 수 있다. 따라서, PBS 버퍼 용액을 사용하지 않고 임상샘플을 직접 사용함으로써 간단한 진단이 가능한 진단 시스템이 제공될 수 있다.
상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께(equivalent oxide thickness)는 하부 절연막(102)의 등가 산화막 두께보다 얇을 수 있다. 예를 들어, 상부 절연막(106)의 두께는 약 25nm 이하일 수 있고, 하부 절연막(102)의 두께는 약 100nm 이상일 수 있다. 상부 절연막(106)의 등가 산화막 두께가 하부 절연막(102)의 등가 산화막 두께 미만일 때, 정전결합을 이용하여 약 59mV/pH 이상의 감도 증폭 현상을 유발시킬 수 있다.
즉, 채널층(105)의 넓이 또는 길이에 제한을 받지 않으며, 이중 게이트 구조에서 상하부 게이트 전극(101, 107)을 이용하여 정전결합 현상을 활용할 수 있다.
실시예 1 : 이중 게이트 ISFET 어레이
기판은 약 10 내지 20Ωcm의 비저항을 갖는 (100)방향의 SOI(silicon on insulator)로 제작하고, 하부 게이트 전극(101)인 실리콘의 두께는 약 107nm 이고, 하부 절연막(102)인 매몰 SiO2 산화막은 약 700nm로 기판을 제조한다.
하부 절연막(102)에 표준 RCA 세정(RCA cleaning)을 실시한 후, 초박막 형성을 위하여 약 2.38 중량%의 테트라메틸암모늄 하이드로옥사이드(tertramethylammonium hydroxide, TMAH) 용액으로 상부 실리콘을 식각하고, 포토리소그래피를 이용하여 채널영역(105)을 형성한다. 이때, 채널(105)의 길이, 폭, 그리고 두께는 각각 약 20 ㎛, 약 20 ㎛, 약 4.3 nm이다.
이후, CVD(chamical vapora deposion) 장비를 이용하여 n형 다결정 실리콘을 증착하고 소스(104)와 드레인(103)을 형성한다.
이후, 소스(104)와 드레인(103) 위에 약 5nm 두께의 실리콘 다이옥사이드를 산화시켜 상부 절연막(106)을 형성한다.
이후, 상부 게이트 전극(107)의 형성을 위해 약 150nm 두께의 Al 박막층을 전자빔 증발기(E-beam evaporator)를 이용하여 증착하고, 그 과정 중에 두 개의 트랜지스터의 소스 공통 접지 컨택도 형성시킨다.
다음으로, 결함을 없애고 계면 상태를 향상시키기 위해 약 450℃의 온도, 그리고 N2 및 H2를 포함하는 가스 분위기에서 열처리를 수행하여 이중 게이트 FET 어레이를 제조한다.
실시예 2 : 교체형 감지기
기판은 약 300nm의 SiO2가 성장된 (100)방향의 p형 실리콘을 사용한다.
표준 RCA 세정(RCA cleaning)을 실시한 후, 전자빔 증발기를 이용하여 교체형 감지기(130) 표면의 전기적 포텐셜 변화를 전달하는 금속 전극(108) 역할을 하는 ITO(indiun tin oxide)를 약 100nm 두께로 증착한다.
이후, 감지막(109)인 SnO2 막을 RF 스퍼터(RF sputter)를 이용하여 ITO층(108) 위에 약 45nm 두께로 증착한다. 이때, RF 파워(RF power)는 약 50W이다.
이후, 약 20 sccm의 흐름율(flow rate)을 갖는 Ar 가스 분위기 및 약 3 mtorr 압력에서 스퍼터링 공정을 실시한다.
이후, pH 용액의 주입을 위하여 폴리다이메틸실록세인(polydimethylsiloxane, PDMS)으로 챔버(110)를 제작하고 감지막(109)의 상부에 부착하여 교체형 감지기(130)를 제조한다.
실시예 3 : 2 개의 이중 게이트 ISFET 바이오센서의 다중 감지 시스템
도 3은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 2 개의 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템을 간단하게 나타내는 모식도이다.
구체적으로, 도 3은 2개의 이중 게이트 ISFET 센서를 이용하여 서로 다른 종류의 바이오마커로부터 서로 다른 종류의 바이오신호를 감지하는 단위 회로이다.
도 3의 교체형 감지기는 분리 및 결합 가능한 형태로 이중 게이트 ISFET의 상부 게이트 전극과 전기적인 접속을 통해 결합되어 있는 구조이다. 예를 들어, 교체형 감지기는 플러그 타입으로 이중 게이트 ISFET에 결합될 수 있다.
리셉터(receptor)(도 3에 도시되지 않음)는 교체형 감지기에 결합되어 있으며, 항체, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나가 기능화되어 있다.
도 3에서 보면, 제1 이중 게이트 ISFET(210)과 제2 이중 게이트 ISFET(220)의 소스, 그리고 제1 교체형 감지기(310)과 제2 교체형 감지기(320)의 상부전극(상부전극에는 Ag/AgCl 기준전극)은 공통으로 접지시킨다.
제1 이중 게이트 ISFET(210)과 제2 이중 게이트 ISFET(220)의 하부전극에는 일정한 공통전압을 인가한다.
제1 이중 게이트 ISFET(210)과 제2 이중 게이트 ISFET(220)의 드레인은 병렬구조이며, 각각 서로 다른 바이오 신호를 감지하여 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parameter analyzer)를 통해 출력한다.
실험예 1 : pH 특성 평가
도 4는 도 3의 pH 감지 특성을 나타내는 그래프이다.
실험예 1에서는 제1 교체형 감지기(310)의 감지막에 pH3에서 pH10까지의 용액을 순차적으로 주입하고, 제2 교체형 감지기(320)의 감지막에 pH7의 용액을 반복하여 주입하였다.
실험결과, 주입 용액의 pH를 변화시킨 제1 교체형 감지기(310)와 연결되어 있는 제1 이중 게이트 ISFET(210)의 전달특성이 pH를 따라 일정하게 변화하였다. 또한, 교체형 감지기에서 발생하는 작은 표면 전위전압 차이는, 초박막 채널층을 포함하는 이중 게이트 ISFET에서 발생하는 초정전결합 현상으로 인해, 하부 전계 트랜지스터의 문턱전압변화를 크게 증폭시켜 약 2.2 V/pH의 감도가 나타난다. 이는 네른스트 반응 한계를 약 40배 가량 초과하는 고감도이다. 반면, 주입 용액의 pH를 변화시키지 않은 제2 교체형 감지기(320)와 연결되어 있는 제2 이중 게이트 ISFET(220)의 전달특성을 변화하지 않았다.
즉, 실험예 1을 통해 두 개의 이중 게이트 ISFET 센서가 독립적으로 동작하나 감지 신호는 동시에 획득할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 4 : 리셉터가 부착된 교체형 감지기
실시예 2에서 제조된 교체형 감지기의 감지막 표면에 췌장암 바이오마커에 반응하는 다양한 항체를 고정하기 위하여 최초 감지막의 표면에 O2 플라즈마를 이용하여 OH기를 형성한다.
이후, 감지막의 표면을 에탄올에 희석된 약 5%의 (3-아미노프로필)트리메톡시실레인((3-aminopropyl)trimethoxysilane)과 약 1 시간 동안 반응시켜 감지막 표면에 아미노기를 형성한다.
이후, 약 1M의 석시닉 안하이드라이드(succinic anhydride)를 주입하여 약 37℃에서 약 4시간 동안 반응시켜 감지막의 표면에 카르복실기를 형성한다.
이후, 감지막 표면을 약 0.4M의 N-하이드록시석신이미드(N-hydroxysuccinimide)와 약 0.1M의 에틸(다이메틸아미노프로필)카보다이이미드(ethyl(dimethylaminopropyl)carbodiimide)와 약 15분 동안 반응시킨다.
이후, 각각의 교체형 감지기의 감지막에 CEACEM-1, GDF-1, PAUF 항체를 고정시킨다.
실시예 5 : 3 개의 이중 게이트 ISFET 바이오센서의 다중 감지 시스템
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 3 개의 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템을 간단하게 나타내는 모식도이다.
구체적으로, 도 5는 3개의 이중 게이트 ISFET 센서를 이용하여 세 가지의 바이오신호를 감지하는 단위 회로이다.
도 5에서 보면, 제3 이중 게이트 ISFET(230), 제4 이중 게이트 ISFET(240), 제5 이중 게이트 ISFET(250)의 소스, 그리고 제3 교체형 감지기(330), 제4 교체형 감지기(340), 제5 교체형 감지기(350)의 상부전극은 공통으로 접지시킨다.
제3 이중 게이트 ISFET(230), 제4 이중 게이트 ISFET(240), 제5 이중 게이트 ISFET(250)의 하부전극에는 일정한 공통전압을 인가한다.
제3 이중 게이트 ISFET(230), 제4 이중 게이트 ISFET(240), 제5 이중 게이트 ISFET(250)의 드레인은 병렬구조이며, 각각 서로 다른 바이오 신호를 감지하여 반도체 파라미터 분석기(semiconductor parameter analyzer)를 통해 출력한다.
실험예 2 : 췌장암 바이오마커 감지도 특성평가
도 6은 도 5를 이용하여 3 개의 췌장암 바이오마커를 감지한 결과를 나타내는 그래프이다.
실험예 2에서는 3개의 췌장암 바이오마커에 대한 신호를 동시에 측정한 결과를 나타낸다. 이때, 제3 교체형 감지기(330), 제4 교체형 감지기(340), 제5 교체형 감지기(350)의 각각의 감지막에는 CEACEM-1, GDF-1, PAUF 항체가 고정되어 있으며, 사람의 혈청 속에 CEACEM-1, GDF-1, PAUF 바이오마커를 주입하여 농도별 반응을 감지하였다.
실험결과, 도 6의 그래프 A, 그래프 B, 그래프 C에서 보듯이, 3 개의 이중 게이트 ISFET가 각각 동작하여 바이오마커에 대한 신호를 감지하였으며, 신호 감지가 동시에 이루어진 것을 알 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 ISFET 센서는 바이오마커 감지시 공정 단가가 높은 이중 게이트 ISFET은 그대로 사용하며, 공정 단가가 낮고, 이중 게이트 ISFET과 분리 및 결합 가능한 교체형 감지기는 교체하여 사용할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 감지기가 결합된 이중 게이트 ISFET 센서는 종래 ISFET 기반의 항원항체 센서 대비 감도 특성을 향상시킬 수 있으며, 다중 감지가 가능하다. 또한, 세포기반 센서, 항원항체 센서, 또는 DNA 센서 중 적어도 하나로 사용될 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템은 B형 간염, 조류독감, 수족구병, 췌장암, 전립선암, 자궁경부암, 또는 간암 중 적어도 하나의 질병을 진단할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 실시예 1 내지 실시예 5를 개시하고 있으나, 실시예 1 내지 실시예 5는 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위한 예시일뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100 : 감지기가 결합된 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서
101 : 하부 게이트 전극 102 : 하부 절연막
103 : 드레인 104 : 소스
105 : 채널층 106 : 상부 절연막
107 : 상부 게이트 전극 108 : 금속 전극
109 : 감지막 110 : 챔버
111 : 기준전극, 상부전극
120 : 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터(ISFET)
130 : 교체형 감지기

Claims (10)

  1. 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서, 그리고
    제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 포함하며,
    상기 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 통해 제1 바이오 신호를 감지하고, 상기 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서를 통해 제2 바이오 신호를 감지하고, 그리고
    상기 제1 바이오 신호와 상기 제2 바이오 신호는 서로 다른 종류인 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  2. 제1항에서,
    상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터를 포함하며,
    상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터는,
    하부 게이트 전극,
    상기 하부 게이트 전극 위에 위치하는 하부 절연막,
    상기 하부 절연막 위에 위치하고 서로 이격되어 있는 소스 및 드레인,
    상기 하부 절연막 위에 위치하고 상기 소스 및 상기 드레인 사이에 위치하는 채널층,
    상기 소스, 상기 드레인, 상기 채널층 위에 위치하는 상부 절연막, 그리고
    상기 상부 절연막 위에 위치하는 상부 게이트 전극을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  3. 제2항에서,
    상기 상부 절연막의 등가 산화막 두께는 상기 하부 절연막의 등가 산화막 두께보다 작은 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  4. 제2항에서,
    상기 채널층은 10nm 이하의 두께를 갖는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  5. 제2항에서,
    상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서는 상기 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터와 연결되어 있는 교체형 감지기를 포함하고,
    상기 교체형 감지기는 상기 상부 게이트 전극에 연결되어 있는 금속 전극, 그리고
    상기 금속 전극 위에 위치하며 이온을 감지하는 감지막을 포함하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  6. 제2항에서,
    상기 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 소스와 상기 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 소스는 공통으로 접지되어 있으며,
    상기 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 상부 게이트 전극과 상기 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 상부 게이트 전극은 공통으로 접지되어 있는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  7. 제6항에서,
    상기 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 하부 게이트 전극과 상기 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 하부 게이트 전극에 공통전압이 인가되는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  8. 제7항에서,
    상기 제1 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 드레인은 상기 제1 바이오 신호를 출력하고, 상기 제2 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 드레인은 상기 제2 바이오 신호를 출력하는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  9. 제8항에서,
    상기 제1 드레인과 상기 제2 드레인은 병렬 구조로 연결되어 있는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
  10. 제5항에서,
    상기 교체형 감지기는 항체, 세포, 또는 DNA 중 적어도 하나가 기능화되어 있는 리셉터(receptor)를 포함하고,
    상기 교체형 감지기와 상기 리셉터는 전기적으로 접속되어 있는 이중 게이트 이온 감지 전계 효과 트랜지스터 바이오센서의 다중 감지 시스템.
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